铂热电阻温度检测系统使用方法及注意事项

摘要：为了解决热电阻测温系统在实际工程应用中可能出现的因信号电缆芯间不平衡电阻所引起温度测量值与温度真实值偏差较大的问题，依据热电阻测温元件的温度和电阻对应的特性，通过分析电桥法电阻测量系统及恒流法电阻测量系统，以列表的形式表示出热电阻信号电缆芯间不平衡电阻对铂电阻温度测量结果的影响程度。介绍了消除信号电缆芯间不平衡电阻的常规方法；同时提出了一种利用智能二次仪表的计算功能修正温度测量结果的新方法。
  化工厂设计中，温度测量回路（要求有电信号远传）在所有测量回路中所占比例相当大，因而温度测量的准确性对现代化工厂的安全、稳定、经济运行十分重要。
   热电阻是利用电阻值与温度呈一定函数对应关系的金属导体或半导体材料制成的感温元件。制造热电阻的半导体材料主要有锗、碳、热敏电阻，金属导体材料主要有铂、铜、镍。铂电阻具有温度特性曲线稳定、抗氧化性能好、制作成本低价的优点，被广泛用于化工厂温度测量。而热电阻温度测量系统有其固有的特点，在工程设计及调试过程中应充分注意，才能实现准确的温度测量。文中着重分析铂电阻温度测量系统应用中应注意的问题。
 
1、铂电阻温度测量原理：
   铂电阻是采用铂金属制成的温度检测元件。铂金属的电阻值与温度的的关系式为Ｒ_ｔ ＝Ｒ_０^［１＋Ａｔ＋Ｂｔ^２ ＋Ｃ^（ｔ－１００^）ｔ^３］（１^）式中：Ｒ_ｔ———被检测温度所对应的电阻值；Ｒ_０———被检测温度在０℃时所对应的电阻值；ｔ———被检测温度，℃；Ａ，Ｂ，Ｃ———特性系数，Ａ＝３．９０８３_×１０^－３，Ｂ＝－５．７７５_×１０^－７，Ｃ＝０（当ｔ_≥０℃ 时），Ｃ＝－４．１８３_×１０^－１２（当ｔ_＜０℃ 时）。铂电阻的电阻值与温度呈非线性关系。
  化工厂常用的铂电阻的分度号为Ｐｔ１００，根据ＩＥＣ７５１—１９８６《工业铂电阻温度计传感器 》的规定，当温度为０℃时，Ｐｔ１００的电阻为１００_Ω，当温度为１００℃时^，Ｐｔ１００的电阻为１３８．５０Ω^。根据ＩＥＣ７５１—１９８６，铂电阻的精度分Ａ 级和Ｂ级^，Ａ 级的允许误差为±^（０．１５＋０．００２｜ｔ｜^）℃^，Ｂ级的允许误差为 ±^（０．３＋０．００５｜ｔ｜^）℃^。Ａ 级的允许使用范围为－２００～５００℃，Ｂ级的允许使用范围为－２００～８５０℃。

图１   法阻量原理示意
  当电桥平衡时（输入信号处理器两端的电压为０，电桥平衡点一般为温度测量仪表刻度范围的下限值^）有^：Ｒ_１^（Ｒ_３ ＋Ｒ_ｔ＋Ｒ_Ａ^）＝Ｒ_２^（Ｒ_４ ＋Ｒ_Ｂ^）。Ｒ_１与Ｒ_２的电阻设为相等。
  若Ｒ_Ａ ＝Ｒ_Ｂ，在电桥平衡点，信号传输电阻的影响可以完全消除；在其他电桥不平衡点，信号传输电阻的影响非常小，可以忽略不计。
  随着计算机技术的发展，精度更高的温度检测仪表应用非常广泛，铂电阻温度检测仪表的测量方法不局限于电桥法，现根据一种 ＤＣＳ温度输入卡的电路原理图进行具体的分析。因需要稳定的直流电源，故将该种电阻测量方法称为恒流法。恒流法电阻测量原理如图２所示。

图２ 恒流法阻量原理示意

  信号处理器的输入阻抗很大，其电流分量可以忽略不计。自动开关由温度输入卡内部程序控制，当自动开关切换到位置２时，铂电阻的Ｒ_ｔ部分被切除，可测得传输电阻Ｒ_Ｂ 相关的电阻；当自动开关切换到位置１时，可测得铂电阻Ｒ_ｔ及传输电阻Ｒ_Ａ的和^。
  因Ｒ_Ｃ的电阻在公共电路部分，只要Ｒ_Ａ ＝Ｒ_Ｂ，该方法可以完全消除传输电阻对测量结果的影响，而电桥法只有电桥平衡点才能完全消除传输电阻的影响。
  上述两种温度测量方法都要求信号传输Ｒ_Ａ与Ｒ_Ｂ相等，否则会将电阻差值计入Ｒ_ｔ，导入了传输电阻所造成的测量误差，该误差是铂电阻元件和温度测量仪表不能区分、消除的。
 
2、传输电阻偏差的产生及对温度测量的影响：
 位于现场的铂电阻与位于控制室的温度测量仪表的距离较远，一般会有接线箱。传输信号电缆的每一芯电阻有小的差异，信号电缆与接线端子间连接，其连接电阻也会有小的差异，其他的不可预见因素也会导致信号传输电阻偏差的产生，因此一个温度测量回路中，各种因素累积的传输电阻偏差应小于５_Ω。
 由于电阻值与温度是非线性的关系，信号传输电阻偏差对温度测量的影响程度也不是线性的，在不同被测介质下传输电阻偏差对温度测量的影响程度举例说明见表１所列。其中传输电阻偏差 _＝Ｒ_Ａ －Ｒ_Ｂ^。

3、传输电阻偏差对温度测量影响的消除：
 
１）常规方法。在控制室与铂电阻 Ａ 端和 Ｂ端相连的端子选用带调整电阻的接线端子，调整电阻***大值为５Ω^，可在０～５Ω 内调整^，使得Ｒ_Ａ ＝Ｒ_Ｂ，即消除了传输电阻所造成的测量误差。
 
２）变通方法。对于采用智能二次仪表的工厂，若由于历史原因，未安装带调整电阻的接线端子，可测量出传输电阻的偏差，计算出被测介质正常操作温度下的电阻值（对某一具体工艺来说，介质温度一般在正常操作温度附近小范围内变化），加入传输电阻偏差，然后查表或计算获得操作温度下的电阻值＋传输电阻偏差所对应的温度，进一步计算可得到传输电阻偏差所导致的温度偏差。利用智能二次仪表的计算功能，通过抵消传输电阻偏差所导致的温度偏差来修正温度测量值，经过这样处理后的温度测量值也能较好地满足化工厂生产的要求。
 上述两种方法，均需要测得实际的传输电阻偏差，而两线制的连接方式却无法测得该传输电阻偏差，因此应采用三线制的连接方式，利用与Ｃ端相连的芯线作为比较其余两芯传输电阻偏差的公共线。

4、结束语：
 若需要较高精度的温度测量，在控制室内，与接受铂电阻信号的温度测量仪表、安全栅（采用电桥法或恒流法）的接线端子若配有５_Ω的调整电阻，则不需要另外配带调整电阻的接线端子，否则应配带调整电阻的接线端子，施工方应检测并将铂电阻与 Ａ，Ｂ端相连的传输电阻调为相等。其他金属热电阻温度测量的原理与铂电阻相同，设计、施工、系统调试时应同样考虑与传输电阻偏差有关的问题。